Questão 65 do ENEM 2010 — Ciências da Natureza

O Princípio de Funcionamento do Ludião

Para entender o que acontece com o ludião, precisamos primeiro analisar as forças que atuam sobre ele quando está flutuando. O frasco de vidro está sujeito a duas forças principais: o seu peso ($P$), que atua para baixo, e o empuxo ($E$), que é a força que a água exerce para cima.

Na situação inicial (Figura 1), o frasco flutua porque o empuxo é igual ao peso total do conjunto (vidro + ar preso + um pouco de água dentro do frasco). O ar preso dentro do frasco é fundamental aqui: como o ar é muito menos denso que a água, ele garante que a densidade média do frasco seja menor que a da água, permitindo a flutuação.

O Efeito da Pressão

Quando apertamos a garrafa PET, estamos exercendo uma força sobre as suas paredes, o que aumenta a pressão da água no seu interior. Pelo Princípio de Pascal, sabemos que um acréscimo de pressão exercido num ponto de um fluido em equilíbrio é transmitido integralmente a todos os pontos desse fluido.

Isso significa que a água transmite esse aumento de pressão para o ar que está preso dentro do frasco de vidro.

Por que o frasco desce?

Aqui entra uma diferença crucial entre líquidos e gases: a água é praticamente incompressível, mas o ar é altamente compressível. Quando a pressão sobre o ar aumenta, o seu volume diminui (de acordo com a Lei de Boyle, onde pressão e volume são inversamente proporcionais em temperatura constante).

Com a diminuição do volume ocupado pelo ar dentro do frasco, o espaço que sobra é imediatamente preenchido por mais água da garrafa. Ou seja, a quantidade de água dentro do frasco aumenta.

Ao entrar mais água no frasco, a massa total do ludião aumenta, o que faz com que o seu peso ($P = m \cdot g$) também aumente. Como o volume externo do frasco de vidro não muda, o empuxo máximo que ele pode receber continua o mesmo. Assim, o peso do conjunto passa a ser maior que o empuxo ($P > E$), e a força resultante aponta para baixo, fazendo com que o frasco afunde.

Conclusão

O movimento de descida ocorre diretamente porque a compressão do ar permite que mais água entre no frasco, tornando-o mais pesado. Isso corresponde exatamente ao que é afirmado na alternativa que diz que aumenta a quantidade de água que fica dentro do frasco.